多波束測深系統(tǒng)實時橫搖補償?shù)姆椒?br> 【專利摘要】一種多波束測深系統(tǒng)實時橫搖補償?shù)姆椒?，采用以下步驟：一：根據船姿測量儀對測深系統(tǒng)實時測量的橫搖角度和上位機傳輸?shù)男Ｕ嵌?，預測將要測量的多測深系統(tǒng)覆蓋線所對應的波束角度；二：針對每個波束角度實時計算相應的相位補償系數(shù)；三：將相位補償系數(shù)通過坐標旋轉數(shù)字計算模塊計算出相應的正弦和余弦數(shù)值作為復系數(shù)；四：將得到的復系數(shù)和原始復數(shù)據對應乘累加得到波束形成結果，完成實時橫搖補償。本發(fā)明不僅能夠根據對測深系統(tǒng)實時橫搖角度，預測等覆蓋線對應的波束角；而且根據實時波束角做波束形成，使得測量覆蓋線不受船舶橫搖的影響；解決了多波束測量中船舶左右搖擺導致測量覆蓋線不均的問題，提高了測深系統(tǒng)的測量效率。
【專利說明】多波束測深系統(tǒng)實時橫搖補償?shù)姆椒?br>
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及測深系統(tǒng)的測量方法，尤其涉及一種多波束測深系統(tǒng)實時橫搖補償?shù)?方法。

【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的不斷發(fā)展，多波束測深系統(tǒng)在海底地形測量的作用越來越重要， 它的出現(xiàn)大大提高了海底地形測量的效率和精度。但是，由于多波束測量船在行進過程中， 受到風、海流等因素的影響，致使船的姿態(tài)（航偏角、橫搖角、縱搖角）和動態(tài)吃水等發(fā)生變 化，安裝在船體上的多波束換能器也隨之變化；而且，由于多波束實測斷面與鉛垂方向、航 向之間存在有夾角，多波束實測的深度和平面位置，不再真實地反映波束腳印在當?shù)刈鴺?系下的位置。因此，必須對船姿引起的水深及水下地形誤差進行補償。
[0003] 橫搖補償是多波束測深系統(tǒng)中較為重要的一項任務。目前，多波束測深系統(tǒng)中的 橫搖補償，一般都是事后處理，在測量時，記錄下原始數(shù)據和橫搖數(shù)據，并在后處理時再做 補償。這樣，其所測得的測深系統(tǒng)覆蓋線將會隨著橫搖角度的變化，出現(xiàn)忽左忽右的情況， 導致測深系統(tǒng)覆蓋線整體不均勻。這就要求兩條測線間要有較高的交疊率，因此，降低了測 深系統(tǒng)的測量的效率。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術存在的上述缺點，而提供一種多波束測深系 統(tǒng)實時橫搖補償?shù)姆椒?，其不僅能夠根據對測深系統(tǒng)實時橫搖角度，預測等覆蓋線對應的 波束角；而且，根據實時波束角做波束形成，使得測量覆蓋線不受船舶橫搖的影響；解決了 多波束測量中船舶左右搖擺導致測量覆蓋線不均的問題，降低了測線間的交疊率，有效地 提高了測深系統(tǒng)的測量效率。
[0005] 本發(fā)明的目的是由以下技術方案實現(xiàn)的：
[0006] 一種多波束測深系統(tǒng)實時橫搖補償?shù)姆椒?，其特征在于：采用以下步驟：
[0007] 第一步：根據船姿測量儀對測深系統(tǒng)實時測量的橫搖角度和上位機傳輸?shù)男Ｕ?度，預測將要測量的多測深系統(tǒng)覆蓋線所對應的波束角度；
[0008] 第二步：針對每個波束角度實時計算相應的相位補償系數(shù)；其中，相位補償系數(shù) 計算公式為：
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【權利要求】
1. 一種多波束測深系統(tǒng)實時橫搖補償?shù)姆椒ǎ涮卣髟谟冢翰捎靡韵虏襟E： 第一步：根據船姿測量儀對測深系統(tǒng)實時測量的橫搖角度和上位機傳輸?shù)男Ｕ嵌龋?預測將要測量的多測深系統(tǒng)覆蓋線所對應的波束角度； 第二步：針對每個波束角度實時計算相應的相位補償系數(shù)；其中，相位補償系數(shù)計算 公式為：
式中：i代表輸入數(shù)據的通道序號，k代表波束形成的波束序號，(i)ik代表第i路原始數(shù) 據在第k個波束上的相移角度，λ代表接收聲信號的波長，1代表基陣長度，π為圓周率， Θ〇(k)代表第k個波束的預成波束角度，SinO代表正弦函數(shù)； 第三步：將相位補償系數(shù)通過坐標旋轉數(shù)字計算模塊計算出相應的正弦和余弦數(shù)值作 為復系數(shù)； 第四步：將得到的復系數(shù)和原始復數(shù)據對應乘累加得到波束形成結果，完成實時橫搖 補償，其中，波束形成公式為：
式中：V(k)代表波束形成的k個波束輸出，Vi代表第i路原始數(shù)據輸入信號，M代表原 始數(shù)據的總通道數(shù)，j代表復數(shù)的虛部，cos()代表余弦函數(shù)。
2. 根據權利要求1所述的多波束測深系統(tǒng)實時橫搖補償?shù)姆椒ǎ涮卣髟谟冢核龅?一步中，姿態(tài)傳感器的橫搖角度輸出速率要達到IOHz以上，并對姿態(tài)傳感器的橫搖角度進 行插值濾波處理，使姿態(tài)傳感器的橫搖角度高速率輸出；上位機傳輸?shù)男Ｕ嵌龋窃跍y量 之前，通過相關校準方法得到的系統(tǒng)實際橫搖偏差值；預測的覆蓋線位置是相對大地坐標 系的，所對應的波束角度按照等角或等距方式計算。
3. 根據權利要求1所述的多波束測深系統(tǒng)實時橫搖補償?shù)姆椒ǎ涮卣髟谟冢核龅?三步中，坐標旋轉數(shù)字計算模塊迭代次數(shù)需達到20次以上，以保證波束形成的精度。
4. 一種為實施上述多波束測深系統(tǒng)實時橫搖補償方法的裝置，其特征在于：包括：一 可編程片上系統(tǒng)平臺、與可編程片上系統(tǒng)平臺相連的實時橫搖補償波束形成器，其中，可編 程片上系統(tǒng)平臺包括：用于實時參數(shù)計算的第一處理器、該第一處理器分別與為第一處理 器提供數(shù)據和程序存儲功能的片上存儲器、為第一處理器實時提供姿態(tài)信息功能的姿態(tài)傳 感器串口模塊、為第一處理器提供多波束測深探頭的姿態(tài)校準數(shù)據的上位機端串口模塊、 用于存儲計算的參數(shù)結果的數(shù)片雙口片上存儲器相連；實時橫搖補償波束形成器包括：用 于提供船的實時姿態(tài)信息的一姿態(tài)傳感器、通過串口提供多波束測深探頭姿態(tài)校準信息的 一上位機，該姿態(tài)傳感器及上位機分別通過串口與第二處理器的輸入端相連，第二處理器 通過可編程片上系統(tǒng)平臺內部總線與數(shù)個雙口隨機存儲器相連，根據橫搖角度，實時，計算 出橫搖補償算法的相關系數(shù)，并將橫搖補償算法的相關系數(shù)分別存到數(shù)個雙口隨機存儲器 中，數(shù)個雙口隨機存儲器采用并行總線與數(shù)個坐標旋轉數(shù)字計算處理模塊對應相連，用于 完成正弦和余弦函數(shù)的計算；數(shù)個坐標旋轉數(shù)字計算處理模塊分別和原始數(shù)據并行、并與 數(shù)個乘累加器相連，實現(xiàn)對應乘累加；數(shù)個乘累加器采用現(xiàn)場可編程門陣列內部并行總線 與并行轉串行處理模塊相連；最后，直接輸出波束形成結果。
5. 根據權利要求4所述的為實施上述多波束測深系統(tǒng)實時橫搖補償方法的裝置，其特 征在于：所述數(shù)個累加器將已經經過前端算法預處理的原始數(shù)據的結果和數(shù)個坐標旋轉數(shù) 字計算處理模塊結果對應乘累加后，將并行轉串行處理模塊，再將三部分并行結果串行起 來輸出給出波束形成結果，并完成實時橫搖補償波束形成。
6. 根據權利要求4所述的為實施上述多波束測深系統(tǒng)實時橫搖補償方法的裝置，其特 征在于：所述實時橫搖補償波束形成器中，提供船的實時姿態(tài)信息的姿態(tài)傳感器是以20Hz 的速度輸出姿態(tài)信息，并通過姿態(tài)傳感器串口模塊傳到第一處理器中；然后，再經過實時橫 搖補償波束形成器，計算出波束形成的角度，并傳送到數(shù)片雙口隨機存儲器中；由于姿態(tài)傳 感器11數(shù)據的更新速度為20Hz，故波束角計算程序的計算時間應該小于50ms。
7. 根據權利要求4或6所述的為實施上述多波束測深系統(tǒng)實時橫搖補償方法的裝置， 其特征在于：所述實時橫搖補償波束形成器中，原始數(shù)據的采樣速度是：28kHz，故邏輯部 分也同樣應以28kHz的速度，讀出數(shù)個雙口隨機存儲器的角度信息，經過數(shù)個坐標旋轉數(shù) 字計算處理模塊輸出結果與原始數(shù)據做復數(shù)乘累加，完成實時橫搖波束形成的計算。
【文檔編號】G01S11/14GK104459678SQ201410747751
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月9日 優(yōu)先權日:2014年12月9日
【發(fā)明者】李志剛, 魏玉闊, 李海森, 鄧平, 孟元棟, 魯東, 周雷, 陳寶偉, 朱建軍, 徐超, 顏昌德 申請人:中國海洋石油總公司, 海洋石油工程股份有限公司, 哈爾濱工程大學